调整供电电压提高电动机效率技术分析

2014-04-10齐白玉朱金丹大庆油田有限责任公司第九采油厂

石油石化节能 2014年6期

齐白玉朱金丹（大庆油田有限责任公司第九采油厂）

引言

某采油厂抽油机井应用三相异步电动机1000余台，通过对电动机运行情况分析，目前主要存在两方面问题：一是电动机实际运行电压偏高。电力线路末端存在一定压降损失，为了不使末端用电设备电压过低，一般线路电压高于用电设备额定电压。统计各油田253台电动机电压值，93.3%以上电动机实际工作电压高于额定电压（表1）。二是在用功率利用率低。抽油机上下往复运动导致交变载荷变化频繁，尽管采用了曲柄配重的旋转平衡，但载荷仍然呈周期波动。在确保可靠启动和正常运行情况下，与之匹配的电动机额定功率都比运行功率大，除负载峰值时刻以外，大部分时段处于轻载运行。统计606台双速电动机，平均功率利用率为24.6%，功率利用率小于20%的有213口井，占35.1%，平均功率利用率仅14.7%（表2）。功率仅9.1kW，且每个冲程一半时段位于电动机低效区。

表1 电动机实际工作电压与额定电压对比

表2 双速电动机功率利用率分级

1 调压节能原理

交流电动机运行中的电能损耗主要有铜损、铁损、机械损耗，而对于一个电动机来说机械损耗是不变的常量，只占总损耗的一小部分。铜损是热量损失部分，与负载的大小相关。铁损是转子、定子铁芯的涡流与磁滞现象的影响导致的能量损失。当铜损和铁损相等时，电动机效率最高。在满足负载有效功率需求前提下，可以通过对电动机供电电源的合理控制，降低铜损、铁损，提高电动机效率[1]。

将电动机的定子电流分解为转矩电流分量及励磁电流分量：转矩电流分量与负载转矩大小有关，在额定电压下，随着负载转矩的减小，转矩电流所占比重减小。励磁电流分量依赖于电压和磁通密度，在额定电压下，磁场消耗的能量保持恒定，与负载所需的转矩无关[2]。

当供电电压大于电动机额定电压（UN）时，电动机主磁通增加，导致励磁电流上升，铁损和铜损增加，无功励磁分量占比重增大，电动机效率下降。当供电电压小于电动机额定电压（UN）时，若处于额定负载运行，励磁电流减小，铁损减小。但转差率增大，转子电流增加，转子铜损也随之增加；若处于轻载运行，铁损占主导地位，通过降低电压，减少磁通量，从而减少铁损，达到提高电动机效率，降低能耗的目的（图1）。

图1 电动机电压电流特征示意

电动机在不同电压下特性曲线表明（图2），当电动机处于额定负载，电压为UN时，电动机效率最高；当电动机处于3/4额定负载，电压为0.85UN时，电动机效率略微下降；当电动机低于1/2额定负载，电压为0.85UN时，电动机效率高于额定电压时效率[3]。

图2 异步电动机效率-电压特性曲线

2 措施应用及效果分析

2.1 人工调整电源电压

针对电动机运行电压偏高的实际情况，在龙虎泡油田选取7口井，现场通过调整变压器挡位，降低供电电压，使电动机电压趋近于额定电压，并对调压后启动、空载运行、正常运行3种状态进行对比分析。

启动电流减小。异步电动机启动时转差率s=1，转子部分等效阻抗较小；根据异步电动机等效电路分析，异步电动机启动电流与外加电压U1成正比，与短路阻抗成反比，一般异步电动机启动电流较大。

龙8-12井电动机额定工作电压380V，额定相电压220V，实际工作相电压为238.6V，启动电流101.5A；调整后实际工作相电压降低到228.1V（仍然偏高），启动电流降为93.8A，启动电流明显减小。

空载电流和空载功率减小。异步电动机轻载或空载时，定子电流中励磁电流占主导。当电动机发生空载时（可视为轻载的极限情况），转差率s≈0，空载电流即励磁电流。如表3所示，龙5-斜11井电动机调压前后对比，空载电流下降1.6A，空载功率下降0.12kW，功率因数略微上升。

表3 龙5-斜11井空载调压前后能耗对比

运行时耗电降低。调整电压7口井，措施有效率100%，平均工作相电压由措施前的234.8V降低至223.5V，平均单井日耗电由104.4kWh下降到98.2kWh，日节电6.2kWh，节电率5.9%，系统效率提高1.2个百分点。

2.2 应用动态调压控制技术

由于抽油机减速箱扭矩呈周期波动，理论分析表明，异步电动机输入电压过高或过低都会导致电流上升。因此，通过实时检测电动机负载率变化，实时调整电动机输入电压和负载电流，可实现节能降耗。

在敖南油田应用抽油机节能控制箱进行动态调压控制，当负载减小时，适当降低电动机输入电压，以保证电流处于最低值，将电动机自身损耗降至最低，进而提高电动机效率。

对比南254-斜244井应用抽油机节能控制箱前后电压电流曲线（图3），该井应用抽油机节能控制箱前工频运行时线电压维持在388.0V，电流介于29.9～31.1A之间；应用抽油机节能控制箱后节能运行时电压维持在190.0～276.0V，电流介于2.7～15.1 A之间。该井平均单井日耗电由98.2kWh下降到78.6kWh，日节电19.6kWh，节电率20.0%。